塑料薄膜是我国塑料产品中占比五分之一的大宗类型, 在厂家生产时最重要的指标之一为塑料薄膜厚度, 如何准确、 快速、 方便地测量塑料薄膜厚度是一项具有重大经济价值的研究课题。 为验证X射线吸收光谱法测量塑料薄膜厚度的可行性, 制作了不同厚度的聚乙烯塑料薄膜实验样本, 设置30 kV的管电压以及1 μA的管电流激发X射线, 照射不同厚度的塑料薄膜样品, 用X射线探测器采集空白光谱数据和不同样本的原始X射线吸收光谱数据, 得到各光谱在256个通道中的光子强度。 在数据分析过程中, 为达到数据降维的效果, 选择主成分分析法处理所采集的数据; 再将维数降低后的新数据集分两次分析, 一次直接进行机器学习, 另一次进行归一化处理后再进行机器学习。 在机器学习中, 其中的70％作为训练集, 剩余的30％作为测试集, 输入数据为各组样本X射线吸收光谱, 输出数据为模型预测的塑料薄膜厚度。 同时, 为降低随机性导致的误差, 多次训练, 以平均的准确率来评价厚度估计的效果。 最后, 对比分析实验数据的结论是, 当误差包容度设置为50 μm时, 使用归一化处理后经机器学习的X射线吸收光谱法测量塑料薄膜厚度的准确率可以达到98.4％。 同时, 只要增加原始光谱数据的样本数, 并有效规划不同厚度的采样分布, 理论上可以大大提高该方法的精度, 而且可以推广到其他材料的测厚任务。 与市场上的其他测厚方式相比, X射线吸收光谱法测厚具备无损检测、 快速检测以及适用范围广的优势, 这对于丰富厂家生产线以及相关监管部门的塑料薄膜测厚技术、 提高测厚效率、 提升测量准确率具有较好的应用前景。

由于在染料敏化太阳能电池(dye-sensitized solar cell, DSSC)中存在染料弛豫、半导体薄膜中电子与氧化态染料分子发生反应和电子在电解质中与氧化态离子复合等不利反应, 利用一个更完善的DSSC载流子传输模型对电池的光电性能进行模拟就显得非常重要。为此, 本文基于由多重俘获理论建立的DSSC中的包括电子、染料阳离子、碘化物和三碘化物在内的载流子传输模型, 数值模拟得到了不同TiO2薄膜厚度、不同入射光强度与不同染料分子吸收系数下DSSC的J-V曲线。结果表明, 随着TiO2薄膜厚度的增加, 太阳能电池的短路电流密度增大, 开路电压减小, 光电转换效率先增大后减小。当DSSC的TiO2薄膜厚度为20 μm时, 光电转换效率达到最大值7.41%, 同时光电转换效率随入射光强度与染料分子吸收系数的增大均有一定程度提高, 其中在吸收系数为4 500 cm-1时, 光电转换效率为6.73%。以上结果可以为改进DSSC的光电性能提供理论指导。

本文采用透射光谱法测量 Ge基底类金刚石薄膜(Diamond-like carbon，DLC)的光谱曲线。应用测量的光谱曲线，基于模拟退火算法，构建目标优化函数，通过光谱反演法得到薄膜的厚度、折射率、消光系数。该方法得到的 Ge基底类金刚石膜的光学参数与椭偏仪测试结果比对，折射率误差小于 1%，厚度误差小于 2%。并且将薄膜的光学参数带入透过率理论计算模型，得到的 Ge基底类金刚石薄膜透射光谱曲线和实际测试曲线的误差小于 2%。该方法只需测量透射光谱曲线，通过计算就能得到薄膜光学参数，对光学薄膜设计和加工具有重要指导意义。

针对谐振腔传感器内壁水膜和盐垢会降低湿度测量精度的问题, 文章提出一种用于测量圆柱腔内壁介质薄膜厚度的方法。此方法基于介质微扰法的原理, 使用双曲余弦开缝形谐振腔作为传感器, 工作于TE111模式来测量介质薄膜厚度。以水膜为例, 理论推导了谐振腔水膜厚度与谐振频率的关系, 并通过仿真分析了TE111模式准确测量水膜的可行性; 采用矢量场方程的方法建立了TE111模式下谐振腔端面电流密度分布线的数学模型, 并设计了双曲余弦开缝形谐振腔传感器。仿真结果表明: 该谐振腔的电磁特性、辐射特性和流动特性均良好, 电磁泄露率基本为0, 取样误差为-1.25%, 符合设计要求; 可准确测量水膜、盐垢、油膜和污垢等介质薄膜的厚度, 且它们的膜厚均与谐振频率偏移量呈线性关系, 与理论相符。

基于耦合模理论, 采用三包层光纤光栅模型, 对镀有敏感薄膜的长周期光纤光栅的传感特性进行了分析。当敏感薄膜的光学参数(薄膜折射率和薄膜厚度)发生变化时, 长周期光纤光栅传输谱中谐振峰处的透射率不变, 但谐振峰会发生平移。进一步对薄膜折射率和薄膜厚度对其传感灵敏度的影响进行数值模拟, 得到了结构优化的高灵敏度长周期光纤光栅传感器典型薄膜光学参数值。计算结果表明, 该类型传感器对敏感薄膜折射率的分辨率可达10-9。研究结果为高灵敏度长周期光纤光栅传感器的结构优化及其传感应用提供了理论支持。

针对光学薄膜厚度测量困难问题，提出了一种基于激光外差干涉术的薄膜厚度测量方法。采用经典迈克尔逊干涉光路，利用外差干涉原理将薄膜厚度差转换为光程差，以精密位移平台为扫描机构实现薄膜厚度的逐行扫描测量。测量系统在恒温实验条件下20 min内的漂移不超过8 nm，测量结果平均差小于1 nm，通过与椭圆偏振仪的测量结果比较，测量差值为12.97 nm，表明了该方法的可行性。

为了满足MEMS火工品的小型化、集成化和低能发火等要求, 本文基于MEMS技术, 设计了一种平面“蛇”形结构的薄膜换能元, 采用磁控溅射等MEMS薄膜制作技术, 完成了不同薄膜桥区电阻和基底材料薄膜换能元样品的制备, 采用扫描电镜(SEM)、原子力显微镜(AFM), 低电阻测试仪、红外热像仪等设备, 完成了不同换能元样品结构(薄膜桥区线宽、长度及厚度等)及性能(电阻、电热响应等)参数的测试与表征。通过分析研究, 获得了薄膜桥区电阻材料、基底材料、薄膜厚度以及桥区结构形状对换能元性能的影响规律, 优选确定以金属Pt和7740玻璃作为换能元电阻及基底材料, 发火性能达5 V/33 μF, 满足MEMS火工品的低能化要求。

采用直流磁控溅射的方式,在浮法玻璃衬底上制备了氧化铟锡(ITO)薄膜。通过改变薄膜沉积时间,制备出不同厚度的ITO薄膜。随着膜厚由16 nm逐渐增大到271 nm,其结晶程度得到增强,对应的载流子浓度由4.79×10 ²⁰ cm ^-3增大到2.41×10 ²¹ cm ^-3,表面等离子体共振(SPR)波长由1802 nm逐渐蓝移到1204 nm,实现了近红外区域SPR波长较宽范围的可控调节。采用Drude自由电子气模型,对不同厚度ITO薄膜的SPR波长进行了理论计算,进一步证明了SPR波长的有效调节取决于膜厚对载流子浓度的影响作用。

针对增强型X射线时变与偏振探测卫星(eXTP)项目中嵌套式聚焦成像望远镜对柱面镜片上W/Si多层膜的要求，在掠入射角为0.5°，工作波段为1~30 keV条件下，设计了非周期W/Si多层膜并优化了薄膜制备工艺。首先，利用分隔板和掩模板对溅射粒子进行准直，同时优化了本底真空度和溅射工作气压，提升了薄膜的成膜质量; 然后，通过调整分隔板间距和公转速率提升了在柱面基底上薄膜的沉积均匀性; 最后，利用幂指数算法设计了非周期多层膜， 并在北京同步辐射光源上进行了多能点反射率测试，得到了与理论设计基本吻合的测试结果。基于优化的制备工艺制备了周期数为80，周期为3.8 nm和W膜层厚度占比为0.47的W/Si周期多层膜，其界面粗糙度仅为0.29 nm，柱面镜薄膜厚度误差可控制在3%以内，基本满足了eXTP项目中嵌套式掠入射望远镜镜片用多层膜对于成膜质量、沉积厚度均匀性和能谱响应宽度的需求。

用α能损法测量薄膜厚度及其厚度分布的均匀性是一种有效的新方法，但这种测量必须在真空室内进行，如何恰当地选择真空度对于提高测量精度和降低真空系统的建造成本都具有重要意义。通过采用SRIM软件模拟5.486 MeV α粒子在空气中的阻止本领，计算出在不同真空度时，从241Am源发出α粒子穿过不同距离达到探测器时的能量损失，得到α粒子能量损失与真空度的关系。根据这一关系，结合所建α能谱仪在测量过程中的稳定性和重复性，建立了用α粒子测量薄膜厚度所需真空度的确定方法，并用这一方法得到了在源与探测器距离为2~8 cm时，小于100 Pa的真空度能完全满足测量要求的结果。